Diode Zener


     

La diode zener (appelée aussi diode de régulation) se comporte un peu comme une diode classique, puisqu'elle conduit dans un seul sens (sens direct) dès que la tension présente à ses bornes dépasse la tension de seuil directe, qui est de l'ordre de 0,6 V. Mais là s'arrête la ressemblance, car une diode zener peut aussi conduire dans l'autre sens (sens inverse) dès que la valeur de la tension inverse dépasse un certain seuil, appelé tension de zener. C'est le cas aussi des diodes classique, allez-vous penser, sauf que pour ces dernières, on évite d'atteindre ce seuil de tension inverse, car la diode risque fort de claquer d'un coup et ce de façon irréversible. Alors que pour la diode zener, l'atteinte de la tension de zener est l'effet recherché.

Valeurs normalisées

Certaines diodes zener sont plus rependues que d'autres, c'est le cas par exemple de celles qui constituent la série BZX55C (série C, tolérance +/-5%). Les valeurs que l'on peut rencontrer dans cette catégorie sont celles de la série E24 (voir Résistances - codes valeur), de 2,4 V à 75 V. En fait, on trouve des valeurs allant plus bas (0,7 V) et bien plus haut (200 V ou plus). Celle de 0,7 V à la particularité de devoir être branchée "à l'envers" car elle fonctionne en sens direct.

Tolérance sur la tension affichée

La tolérance sur la tension zener est assez large, et une diode marquée 6,8 V peut très bien - à une même température ambiante de 25 °C - présenter une tension comprise entre 6,4 V et 7,2 V. De même, une zener marquée 82 V peut présenter une tension comprise entre 77 V et 87 V. La tolérance correspond normalement à la série E24 qui spécifie une précision de 5%. Normalement, les fabricants indiquent dans leurs documents techniques pour quel courant la tension affichée est valable.

Résistance interne (dynamique) de la diode

La résistance interne (dynamique) de la diode n'est pas nulle, et de ce fait la tension présente à ses bornes varie en fonction du courant qui la traverse. La valeur de cette résistance interne n'est pas fixe et dépend du courant qui traverse la diode, ainsi que de la fréquence du courant si ce dernier est "modulé" (à 1 kHz, la résistance dynamique est plus faible qu'en continu). Certains fabricants indiquent les diverses valeurs de résistance dynamique en fonction du courant et à une fréquence donnée. Par exemple résistance dynamique inférieure à 50 ohms à 1 kHz et inférieure à 1000 ohms en continu, avec un courant de 5 mA dans les deux cas.

Courant maximal

Quand on achète une diode zener, on ne voit que rarement la valeur maximal du courant qui peut la traverser. Au lieu de ça, le fabricant (et le revendeur) indiquent la tension et la puissance de la diode zener. C'est avec ces deux valeurs que l'on déduit le courant maximal, avec la formule suivante :

Imax = Pmax / Uzener

Pour une diode zener de 12 V appartenant à une série de puissance 400 mW, le calcul du courant max donne ceci :

Imax = 0,4 / 12 = 33 mA

Et pour une diode zener de 12 V appartenant à une série de puissance 1,3 W, le calcul du courant max donne ceci :

Imax = 1,3 / 12 = 108 mA

Ces valeurs sont des valeurs acceptées en régime continu. Si la diode est soudée sur le circuit avec des pattes restées assez longues et si cela dure peu de temps (10 ms au plus), le courant maximal peut atteindre une valeur double ou triple. Notons que comme le courant max dépend de la tension de zener, on aura tout naturellement dans une même série de puissance (par exemple 1,3 W) un courant max qui ira s'amenuisant au fur et à mesure que la tension zener augmente. Ainsi dans la même série BZX85C, une diode zener de 3,6 V accepte de fonctionner à un courant de 290 mA (2,6 A max pendant un temps très bref), alors qu'avec une diode zener de 62 V on ne doit pas dépasser 16 mA (180 mA max pendant un temps très bref).

Utilisation en régulation de tension

Une diode zener est principalement utilisée dans la régulation d'alimentation, où elle peut être utilisée en solitaire ou couplée avec un transistor de moyenne ou grosse puissance.

Régulation d'alimentation en solitaire

La diode zener peut être placée en parallèle sur les bornes d'alimentation, avec une résistance en amont destinée à limiter le courant qui peut la traverser (surtout quand rien n'est branché en sortie et que c'est la zener qui doit absorber tout le courant) :



Il s'agit de la façon la plus simple d'utiliser une diode zener pour réguler une tension, mais la résistance de limitation de courant R1 doit tenir compte :

- du courant qui traverse la zener : elle doit avoir une valeur assez faible pour que la diode fasse bien son boulot de régulation, mais pas trop faible cependant pour que la diode ne grille pas);

- du courant absorbé par la charge (le circuit alimenté). 
Ce type de circuit ne convient guère quand on ne connait pas le courant consommé en sortie, et encore moins quand le courant consommé peut varier dans de grandes proportions.

Régulation d'alimentation épaulée par un copain costaud

La diode zener peut aussi être associée à un "ballast" (transistor de puissance) pour augmenter le courant délivrable par l'alimentation :

 

Avec ce montage, le critère "courant de sortie" est bien moins critique, car les variations de courant en sortie sont répercutées avec un facteur de division égal au gain du transistor : par exemple, si le transistor à un gain en courant de 100, une variation de courant en sortie de 100 mA à 200 mA se traduit par une variation sur sa base réduite à une amplitude de 1 mA. Mais il faut tout de même penser à prendre en compte la chute de tension base-émetteur du transistor, qui est de l'ordre de 0,6 V (1,2 V s'il s'agit d'un transistor darlington). Si vous souhaitez obtenir une tension de sortie de 5 V avec un transistor bipolaire classique (2N1711 par exemple), vous devez utiliser une diode zener de 5,6 V (ça tombe bien, une telle diode existe). Si vous employez une diode zener de 12 V, la tension de sortie sera réduite à 11,4 V environ. Rien ne vous empêche de câbler plusieurs diodes zener et d'en commuter une parmi toutes, pour bénéficier d'une tension de sortie "ajustable fixe", comme le montre le schéma suivant :


Détails en page Alimentation ajustable 012

Et puis bien sûr, rien n'empêche non plus d'utiliser deux diodes zeners en série (identiques ou différentes) pour obtenir une tension de sortie autre que celles permises avec une seule diode. Par exemple une diode zener de 7V5 en série avec une diode zener de 5V1 permet de disposer d'une tension de 12 V (12,6 V - 0,6 V)... à la tolérance près des diodes, comme de bien entendu !

Facile à utiliser... mais pas parfaite

La diode zener constitue un moyen simple de se faire une petite alimentation régulée, mais présente l'inconvénient majeur d'une mauvaise stabilité de sa tension nominale en fonction de la température ambiante et du courant qui la traverse. Elle convient donc aux montages dont la stabilité de la tension d'alimentation n'est pas critique (petit poste de radio par exemple) ou aux montages dont la consommation varie très peu. Des diodes zener de puissance sont parfois utilisées en parallèle sur les ampoules de certains deux roues motorisés équipés de batterie, pour les protéger des surtensions.

Régulation d'alimentation améliorée

Puisque la tension aux bornes d'une diode zener dépend dans une certaine mesure du courant qui la traverse, on peut faire en sorte que ce courant varie peu, même quand la tension en amont de la régulation varie beaucoup. Cela est possible grâce à l'emploi d'un générateur de courant constant, que l'on peut élaborer avec une paire de transistors bipolaires, avec un unique transistor FET ou encore avec un régulateur de tension intégré. Le schéma qui suit montre un exemple d'une telle structure, avec un transistor à effet de champs (FET) de type 2N3819.



Ce type de montage fonctionne très bien, le courant traversant la diode zener est compris entre 5 mA et 15 mA, et dépend beaucoup du FET utilisé. En utilisant deux FET du même modèle provenant du même fabricant, vous pouvez relever des écarts importants. Mais cela n'est pas critique dans le cas présent, car l'important est que le courant reste stable, même si sa valeur n'est pas connue (ou prévisible) avec une grande précision. Un montage où le courant est plus facilement paramétrable et "prévisible" est présenté ci-après. Il met en oeuvre un régulateur de tension intégré de type LM317 monté en générateur de courant constant.



Comme la tension présente entre la borne de sortie du régulateur (borne 2) et son entrée Ajust (borne 1) est toujours de 1,25 V, le courant qui circule dans R1 ne dépend que de la valeur de cette résistance. Ainsi, si R1 vaut 120 ohms, le courant constant généré sera de :
Iconst = 1.25 / 120 = 10 mA.

Avertissement

Sur les trois derniers montages proposés, qui font tous appel à un transistor de puissance, le courant consommé par le transistor lui-même au travers de sa connexion de base, ne peut pas être ignoré, surtout si l'appareil à alimenter est gros consommateur de courant. Admettons que l'on utilise un transistor de puissance ayant un gain de 50, qui délivre via son émetteur un courant de 1 A; cela signifie que sa base absorbe un courant d'environ 20 mA. Ce cas peut sembler extrême mais pourtant... pensez donc bien à dimensionner le générateur de courant constant pour lui permettre de répondre aux besoins de la diode zener et du transistor.

Autre chose : ce genre de calcul préalable s'applique pour une charge connectée en sortie en permanence. Si vous prévoyez un fort courant dans la base du transistor (fort par rapport au courant traversant la diode zener elle-même), pensez à ce que la diode devra subir si la charge se trouve déconnectée (suite à panne ou fusion fusible de protection). La solution permettant de s'affranchir de ce genre de considération est d'utiliser un transistor à plus grand gain (un transistor darlington unique ou plusieurs transistors classiques montés en darlington). Dans ce cas, la répercussion du courant de sortie sur la base du "premier" transistor est moindre et les écarts possibles de courant, plus faibles, posent bien moins de problèmes. Mais bien entendu, la chute de tension "base-émetteur" devient plus importante et il faut là encore en tenir compte.

Autres usages

La diode zener peut aussi être employée là où une tension de référence est requise, dans la comparaison de tension par rapport à une ou plusieurs valeurs fixes, ou même dans la "soustraction" d'une tension.

Comparaison de tension

Employée avec un comparateur de tension (ou un AOP monté comme tel), la diode zener peut constituer une référence assez stable pour de nombreuses applications (indicateur de niveau batterie faible, ou indicateur de dépassement de seuil d'une tension sous surveillance, par exemple). Le schéma qui suit met en oeuvre une diode zener (D1) comme tension de référence :

"Soustraction" d'une tension

Une zener placée en série dans un circuit, peut permettre de décaler une tension fixe ou variable. Il faut bien évidement que la tension à "atténuer" présente une amplitude suffisante par rapport à la tension de zener, à moins que l'effet recherché soit de "couper" le signal en dessous d'un certain seuil. La diode zener peut dans le même esprit, empêcher le déclanchement d'une circuiterie lorsqu'une tension de commande présente une tension de repos trop importante. Par exemple, une tension de commande de 2,5V au repos et de 12V au travail, peut être ramenée à une tension de 0V au repos et de 8,7V au travail, en mettant en série une diode zener de 3V3 (en la branchant dans le sens inverse, car dans le sens direct, la chute de tension ne serait que de 0,6V)

 
 

Le schéma qui suit met en oeuvre une diode zener (D1) comme soustracteur de tension :

Dans ce montage, la tension en "sortie" de la diode zener (sur la base de Q1) est égale à la tension appliquée sur son "entrée" (curseur de RV1), à laquelle on soustrait la valeur de la tension zener.

 

 

 

 

 

 

 

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